Basierend auf der in der vorhergehenden Artikel, Übertragungsleitungen haben folgende Auswirkungen auf das Gesamtschaltungsdesign:
- Reflektierte Signale
- Verzögerungs- und Timingfehler
- Fehlschaltung
- Überschwingen/Unterschwingen
- Induziertes Rauschen (oder Übersprechen)
- Elektromagnetische Interferenz (EMI)-Strahlung
1. Reflektierte Signale
Wenn eine Leiterbahn nicht ordnungsgemäß abgeschlossen (impedanzangepasst) ist, werden Signalimpulse vom Senderende am Empfängerende reflektiert. Dies führt zu unerwünschten Effekten und verzerrt das Signalprofil. Bei starker Verzerrung können verschiedene Fehler auftreten, die zum Ausfall der Konstruktion führen. Gleichzeitig wird das verzerrte Signal anfälliger für Rauschen, was den Ausfall der Konstruktion zusätzlich begünstigt. Werden diese Faktoren nicht ausreichend berücksichtigt, steigt die elektromagnetische Interferenz (EMI) deutlich an und beeinträchtigt nicht nur die Konstruktion selbst, sondern kann potenziell zu einem Systemausfall führen.
Hauptursachen für reflektierte Signale: übermäßig lange Leiterbahnen; nicht übereinstimmende Abschlüsse von Übertragungsleitungen; übermäßige Kapazität oder Induktivität; und Fehlanpassung der Impedanz.
2. Verzögerungs- und Zeitfehler
Signalverzögerungen und Timingfehler äußern sich darin, dass Signale während ihrer Schwankungen zwischen Logikpegelschwellenwerten über einen bestimmten Zeitraum keine Umschaltungen vornehmen. Zu lange Verzögerungen können Timingfehler und Gerätefehlfunktionen verursachen.
Probleme treten typischerweise bei mehreren Empfängern auf. Schaltungsentwickler müssen die maximalen Verzögerungen ermitteln, um die Korrektheit des Designs sicherzustellen. Ursachen für Signalverzögerungen: Treiberüberlastung, zu lange Leiterbahnen.
3. Fehler durch mehrfache logische Pegelübergänge
Signale, die nahe Logikpegelschwellen oszillieren, können diese Grenzen wiederholt überschreiten und so diesen Fehlertyp verursachen. Mehrfache Logikpegelüberschreitungen stellen eine spezielle Form der Signaloszillation nahe Logikpegelschwellen dar und beeinträchtigen die Logikfunktionalität. Ursachen für reflektierte Signale: Zu lange Leiterbahnen, nicht abgeschlossene Übertragungsleitungen, zu hohe Kapazität oder Induktivität sowie Fehlanpassung der Impedanz.
4. Überschwingen und Unterschwingen
Überschwingen und Unterschwingen entstehen entweder durch zu lange Leiterbahnen oder zu schnelle Signalübergänge. Obwohl die meisten Bauteile an ihren Eingangsschutzdioden verfügen, können diese Überschwingpegel den Versorgungsspannungsbereich des Bauteils mitunter deutlich überschreiten und so Schäden verursachen.
5. Übersprechen
Übersprechen tritt auf, wenn ein auf einer Leitung übertragenes Signal ein entsprechendes Signal auf einer benachbarten Leitung der Leiterplatte induziert.
Übersprechen wird reduziert, wenn Signalleitungen näher an Masseflächen liegen und der Leitungsabstand vergrößert wird. Asynchrone Signale und Taktsignale sind besonders anfällig für Übersprechen. Entkopplungsmethoden beinhalten daher die Verlegung des übersprechenden Signals oder die Abschirmung des stark betroffenen Signals.
6. Elektromagnetische Strahlung
Elektromagnetische Interferenz (EMI) umfasst Probleme im Zusammenhang mit übermäßiger elektromagnetischer Strahlung und der Empfindlichkeit gegenüber dieser Strahlung. EMI tritt auf, wenn ein digitales System beim Einschalten elektromagnetische Wellen in seine Umgebung abgibt und dadurch den normalen Betrieb benachbarter elektronischer Geräte stört. Hauptursachen sind zu hohe Betriebsfrequenzen und eine ungeeignete Anordnung der Komponenten. Zwar existiert Software zur EMI-Simulation, diese ist jedoch kostspielig, und die Konfiguration von Simulationsparametern und Randbedingungen ist komplex – was sich direkt auf Genauigkeit und Praktikabilität auswirkt. Der gängigste Ansatz besteht darin, in jeder Phase des Designprozesses Regeln zur EMI-Kontrolle anzuwenden und so eine regelbasierte Steuerung zu ermöglichen.
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